高速數字PCB設計(1)—淺析PCB層疊結構（stackup）設計

PCB層疊結構設計往往是原理圖轉到PCB設計大家考慮的第一步，也是PCB設計中至關重要的一步，板子層疊結構的好壞甚至直接關係到產品成本、產品EMC的好壞。下面就就簡單的從PCB層數預估和可生產性兩個方面介紹PCB層疊結構的設計。

1. PCB層疊結構預估

    PCB層數設計主要可以從以下幾個方面考慮（1）：管腳最密器件（如BGA等）需要幾層訊號層扇出所有訊號；（2）：器件密度；（3）：成本；（4）：PCB走線阻抗控制和電源平面完整性要求；（5）：EMC方面的考慮；

   （1）：管腳最密器件

    一般PCB層數估計時，最先考慮管腳最密的元器件（但是在一些高速PCB設計時，有時候要考慮高速器件走線的要求，一般都需要走內層，所以有時候PCB的層數會由有特殊走線要求的器件決定），如BGA封裝器件，一般需要把所有的管腳進行扇出，這時需要估算管腳扇出需要的訊號層數目N；如果PCB器件密度不是很大，可供走線面積良好，對扇出訊號電學特性沒有特殊要求，基本可以確定PCB訊號層數為N。具體如何扇出可以看晶片相關的Layout建議。

    （2）：器件密度

    設計PCB時，有時候會遇到因為機械結構或者其他特殊要求，PCB板面積較小，器件密度很高的情況。這種情況下，Top Layer和Bottom Layer中可供走線的面積較小，一般情況下需要評估管腳密度進行佈線。同時對於高密度板，原理圖設計和PCB器件佈局對減少PCB層數、降低PCB佈線難度有很重要的作用，尤其對GPIO較多的器件，在原理圖上選擇合適的PIN腳與外圍器件相連，在PCB佈局佈線中會有意想不到的效果。高密度板層數一般較難估計，一般去估算PIN的密度（Pin number/Area）來估算PCB疊層數目。

    （3）：成本

     PCB製造成本是很多商業產品考慮的最重要的因素之一，PCB設計到後來很多時候有效能和成本的平衡。一般產品為了趕進度可以效能優先進行設計，然後發出初樣甚至第一版產品，然後從再優化PCB結構，甚至犧牲一些效能，去節約成本。

   （4）：PCB走線阻抗控制和電源完整性要求

     在對電源完整性要求不高的情況下，可以不使用完整的電源平面和地平面，較少PCB層數。但是在高速電路，尤其在高速並行大電流或者啟動電流較大的設計中，需要考慮訊號的迴路電感(當多個訊號埠同時翻轉時，會產生一個瞬時電流，v=Ldi/dt會產生一個瞬時電壓，如果迴路電感較大，會產生一個較大的瞬態電壓)。一般訊號線以地平面作為參考平面，這就需要很好的關注地平面和走線位置的控制。而完整的電源平面和地平面勢必增加PCB的層數。比如六層板有些設計成4個走線層（S-G-S-S-P-S），有些3個走線層(S-G-S-P-G-S)，四層走線層PCB提供了更多的走線面積，其中表層和第三層訊號有良好的地平面作為參考，但是電源平面和地平面耦合很差。三個走線層減少了設計的走線面積，但是每個走線平面都有地平面作為參考，並且電源平面和地平面耦合較好。

    （5）：設計中EMC的考慮

    PCB層疊結構設計和走線層和產品的EMC直接相關，比如DCM晶片的輸出高頻時鐘、一些高速並行訊號線（DDR3地址線）、一些高速序列匯流排如果走在PCB板表層，勢必影響產品的EMI特性。同時一些敏感訊號如果佈線走在產品表層，很可能會影響產品的EMS特性。所以PCB層數設計的時候還要考慮這些線。

    總體來說，PCB走線面積一定（PCB板尺寸減去器件佔用面積和過孔面積），Trace總數固定，每根Trace所能擁有的面積也相對固定，所以如何設計能讓每根Trace的所佔用的面積最小，對PCB層數設計作用較大。

2. 層疊結構設計可生產性的考慮

    當訊號層和平面層確定之後，如果設計的電路板有阻抗控制的要求，就需要調整板子每層走線厚度、寬度、線間距（差分訊號）、介質層厚度和介質層介電係數。建議將需要控制的阻抗值、板子的層數和板子的層疊的結構發給製版廠商，讓製版廠商幫助計算板子每層PP的厚度、走線厚度、寬度、線間距，選擇介質層材料等以滿足電學特性要求。

    交給制板廠商進行以上設計主要有一下三個好處：(1). 可以更好的控制走線阻抗（軟體如（PolarSI）可以計算板子走線的阻抗，但是使阻抗計算準確，各個引數設定也要精確，走線形狀等引數和PCB加工工藝較大）。(2). PCB板層疊結構會有更好的可生產性。很多時候，我們設計PCB板時，由於對PCB板加工工藝的不瞭解，會根據電學特性的需求，隨意調整走線寬度，介質層厚度等，這些設定可能會導致PCB板生可生產性不好，甚至不能生產。(3). 可以減少PCB加工成本。在PCB層疊結構設計時，可以要求制板廠商提供成本較低的方案，減少製造成本。

     當我們對訊號層和平面層沒有特殊要求時，基本可以直接投送給基本廠商進行加工。

總結：

隨著現在訊號速率不斷增加，核心電壓降低，器件功率密度不斷增大，在PCB設計時，有時候還必須考慮DC-IR對系統的影響；同時由於一些產品發熱較為嚴重，在PCB板設計時熱平衡也必須要考慮，防止PCB板因受熱變形。PCB層疊結構設計是PCB設計的第一步，也是至關重要的一步，需要考慮的因素也很多。由於個人水平有限，只能大致說一些，一些不準確的地方，望大家多多指教。